李靜靜,盛冬生,張紅波
(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)
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??诘貐^(qū)擴展F和GPS電離層閃爍發(fā)生時間相關性分析
李靜靜,盛冬生,張紅波
(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)
對2012年8月至2013年7月太陽活動高年海口地區(qū)擴展F和GPS L1頻段電離層閃爍進行了發(fā)生時間相關性分析。結果表明,該地區(qū)的GPS電離層閃爍與擴展F具有較好的相關性,二者發(fā)生的相關系數(shù)為0.95.受太陽活動高年低緯電離層不均勻體發(fā)展演化特性和設備觀測方式的影響,觀測到的電離層閃爍起始時間稍早于擴展F。擴展F結束時間比電離層閃爍結束時間有所滯后,分析認為,在低緯電離層不均勻體的消亡階段,1 km以下中小尺度的不均勻體首先消失。
擴展F;電離層閃爍;不均勻體;相關分析
全球定位系統(tǒng)(GPS) L頻段電離層閃爍會導致衛(wèi)星導航接收機偽距抖動、相位發(fā)生周跳,造成導航定位誤差增大,嚴重時導致接收機失鎖,導航定位中斷。生命安全服務、高精度大地測量等多種高端衛(wèi)星導航應用對衛(wèi)星導航精度和完好性要求較高,電離層閃爍事件成為一種不能忽視的現(xiàn)象。擴展F和GPS電離層閃爍均是電離層不均勻體的無線電觀測現(xiàn)象,前者是電離圖上表現(xiàn)出頻域、區(qū)域的回波信號彌散,后者則是地面接收的GPS信號發(fā)生強的衰落。統(tǒng)計分析擴展F和電離層閃爍相關性有助于理解GPS電離層閃爍發(fā)生和演化機制,以及掌握GPS電離層閃爍發(fā)生前兆信息,對GPS電離層閃爍預警減緩措施研發(fā)具有一定意義。
近幾十年來,諸多學者開展了擴展F與電離層閃爍的對比研究工作。Medeiros等[1]在統(tǒng)計分析了巴西兩個觀測站的VHF頻段電離層閃爍數(shù)據(jù)和擴展F數(shù)據(jù)后,發(fā)現(xiàn)兩者在發(fā)生概率和持續(xù)時間上存在較好的一致性。龍其利等[2]統(tǒng)計分析了1989年12月至1990年12月期間VHF頻段電離層閃爍數(shù)據(jù)和擴展F數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)擴展F起始時間早于電離層閃爍。Iyer等[3]根據(jù)分析印度兩個觀測站監(jiān)測的1987至1989年期間VHF頻段閃爍和擴展F數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),二者只在太陽活動高年具有很好的相關性。朱太平等[4]分析1990年8月至9月期間的電離層閃爍和擴展F發(fā)生概率發(fā)現(xiàn),4 GHz頻段電離層閃爍和擴展F的相關性弱于VHF頻段電離層閃爍和擴展F的相關性。近年來,王國軍等[5]分析了強區(qū)域擴展F發(fā)生概率和GPS L1頻段電離層閃爍發(fā)生概率隨時間的變化趨勢。史建魁等[6]分析了三亞地區(qū)2003年至2007年期間強區(qū)域擴展F和GPS L1頻段電離層閃爍月發(fā)生概率的相關系數(shù)。本文主要研究太陽活動高年海口地區(qū)擴展F和GPS L1頻段電離層閃爍在起始和結束時間方面的相關性,以探究電離層不均勻體在不同發(fā)展演化階段對GPS L1頻段電離層閃爍影響。
目前,國際上一般將擴展F劃分為頻域擴展F、區(qū)域擴展F、混合擴展F和強擴展F.對海口站(20.0°N,110.3°E)電離層垂測儀觀測的擴展F數(shù)據(jù)和GPS L1頻段電離層幅度閃爍數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),在彌散點超過6.6 MHz時,擴展F和電離層閃爍具有較好的相關關系,因此本文僅選取彌散點超過6.6 MHz的擴展F作為分析對象,不再作類型區(qū)分。擴展F選取標準如圖1所示。
圖1 擴展F選取標準
本文使用數(shù)據(jù)的采集時間為2012年8月1日至2013年7月31日夜間(10:00UT至0:00UT,本地時=UT+7.0)。擴展F的采樣間隔為15 min.
部署在??谡镜腉PS閃爍監(jiān)測儀,以20 Hz的采樣速率對接收信號進行采集處理,實時計算電離層閃爍S4指數(shù),采樣間隔為1 min.為避免多徑干擾和低仰角引起的其他效應,僅選取衛(wèi)星仰角在25°以上的數(shù)據(jù)。電離層閃爍事件識別準則為S4指數(shù)大于0.3,且持續(xù)時間超過15 min的事件。
2.1 事件相關性
圖2示出了2012年8月至2013年7月夜間的擴展F和電離層閃爍事件月發(fā)生天數(shù)統(tǒng)計結果。從圖2可以看出,春分和秋分月份的擴展F和電離層閃爍的月發(fā)生概率最高,冬季較少發(fā)生,夏季次之。在365天的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中,共有89天電離層閃爍和擴展F均出現(xiàn),有19天只有擴展F出現(xiàn),僅有1天只有電離層閃爍出現(xiàn)?;谙嚓P性統(tǒng)計分析得到兩者同時發(fā)生的相關系數(shù)為0.95.該結果說明絕大部分電離層閃爍事件均會伴隨擴展F現(xiàn)象。
圖2 2012年8月至2013年7月期間擴展F和電離層閃爍事件
2.2 起止時間相關性
對2012年8月至2013年7月89次同日出現(xiàn)的擴展F和電離層閃爍事件的起止時間進行進一步的分析。圖3示出了兩類事件起始時間的相關分析結果,其中虛線為14:00UT之前數(shù)據(jù)的線性擬合結果,實線為全部數(shù)據(jù)的線性擬合結果。圖4示出了兩類事件結束時間的相關分析結果,實線為全部數(shù)據(jù)的線性擬合結果。
從圖3、圖4中可以看出,擴展F和電離層閃爍事件的起始時間相關系數(shù)為0.71,結束時間相關系數(shù)為0.62.兩者在起始時間和結束時間具有較好的一致性。在起始時間方面,14:00UT之前,兩者的相關系數(shù)為0.87,說明在21:00LT之前兩者幾乎同時出現(xiàn),且電離層閃爍出現(xiàn)事件(平均起始時間19.4LT)稍早于擴展F(平均起始時間19.5LT)。在結束時間方面,擴展F結束時間比電離層閃爍結束時間略有滯后,平均滯后時間約為1.2 h.
圖3 擴展F和電離層閃爍事件起始時間相關分析結果
圖4 擴展F和電離層閃爍事件結束時間相關分析結果
通過分析發(fā)現(xiàn),我國??诘貐^(qū)擴展F和電離層閃爍事件具有較好的相關性,但在起始時間和結束時間存在一定差異。這可能是電離層垂測儀和GPS L1頻段電離層閃爍儀所觀測到的電離層不均勻體尺度和范圍不同所致,也與電離層不均勻體發(fā)展演化過程有關。
首先,電離層不均勻體發(fā)展演化過程以及觀測手段的局限性,會影響到觀測到的擴展F和電離層閃爍事件的起止時間。GPS L1頻段的電離層閃爍監(jiān)測是通過接收多顆GPS衛(wèi)星信號實現(xiàn)的,根據(jù)衛(wèi)星鏈路與電離層不均勻體的穿刺點在地面投影的位置計算公式:
angle= π/2-α-arcsin[(R·cosα)/
(R+h)],
(1)
φ= arcsin[sinφj·cos(angle)+
cosφj·sin(angle)·cosαz]
(2)
λ=λj+arcsin[sin(angle)·sinαz/cosφ],
(3)
其中: 假定不均勻體高度h為350 km[7];R為地球半徑(6 371 km);α為衛(wèi)星仰角;αz為衛(wèi)星方位角;(λj,φj)為觀測站位置(110.3°E,20.0°N); (λ,φ)分別為穿刺點的經(jīng)緯度。當電離層閃爍監(jiān)測設備觀測的衛(wèi)星截止仰角為25°時,其監(jiān)測范圍的最大半徑為640 km.而電離層垂測儀的工作模式為同站址垂直發(fā)射與接收,綜合F層電離圖回波描跡的高度數(shù)據(jù),認為電離層垂測儀對電離層不均勻體的觀測半徑遠小于200 km.甄衛(wèi)民等[8]通過分析多站的GPS信號發(fā)現(xiàn),我國低緯地區(qū)電離層不均勻體源于赤道電離層不均勻體的北向擴展。此外,電離層不均勻體的東向漂移也是??谡居^測到不均勻體的原因之一。由于在14:00UT以前擴展F和GPS電離層閃爍的起始時間相差甚少,推測14:00UT之前我國低緯地區(qū)電離層不均勻體源于赤道電離層不均勻體的北向擴展??紤]到GPS電離層閃爍的觀測范圍更大,可能是導致GPS電離層閃爍起始時間略早于電離層垂測儀觀測到擴展F的主要原因。
其次,根據(jù)第一菲涅耳半徑公式計算可知,引起L1頻段電離層閃爍的不均勻體尺度小于1 km[9],而電離層垂測儀工作頻段為短波頻段,其可觀測的電離層不均勻體尺度遠大于1 km.鑒于擴展F和GPS電離層閃爍在14:00UT以前的起始時間幾乎相同,表明太陽活動高年的赤道電離層不均勻體在發(fā)展起始階段便包含低于1 km的中小尺度電離層不均勻體。
最后,大部分擴展F結束時間滯后于電離層閃爍的結束時間,平均滯后時間約為1.2 h,表明在不均勻體發(fā)展演化的結束階段,中小尺度的電離層不均勻體首先消失。甄衛(wèi)民等[10]根據(jù)??诘貐^(qū)VHF信號功率譜斜率在閃爍初期和末期不同,認為赤道電離層不均勻體在消亡階段,1 km以下中小尺度的不均勻體首先耗散消失。本文統(tǒng)計結果也同樣支持該結論。
對2012年8月至2013年7月太陽活動高年海口地區(qū)擴展F和GPS L1頻段電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)進行了相關性分析,發(fā)現(xiàn)我國海口地區(qū)擴展F和電離層閃爍事件具有較好的相關性,但在起始時間和結束時間存在一定差異。在21:00LT以前,GPS電離層閃爍平均起始時間比擴展F稍早,可能是該時段的電離層不均勻體源于赤道電離層不均勻體的北向擴展,且起始階段便包含低于1 km的中小尺度電離層不均勻體所致。擴展F結束時間比電離層閃爍結束時間略有滯后,平均滯后時間約為1.2 h,可能是在電離層不均勻體消亡階段,1 km以下中小尺度的不均勻體首先耗散消失所致。后續(xù)將利用更長周期的觀測數(shù)據(jù)來深入分析二者的相關性及其隨季節(jié)、太陽活動周期等的變化特征。
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Correlation Analysis on Occurrence Time of Spread F and Ionospheric Scintillations in Haikou Region
LI Jingjing,SHENG Dongsheng,ZHANG Hongbo
(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)
Using spread F observations and GPS L1-band ionospheric scintillation observations recorded by ionosonde and GPS L1-band Ionospheric Scintillation monitor respectively in Haikou region during August 2012 and July 2013, we carried out correlation analysis on the occurrence time of each other. It’s found that there is a good correlation between the occurrences of Spread F and GPS L1-band ionospheric scintillation. The correlation coefficient is 0.95.Due to development and evolution characteristics of low-latitude ionospheric irregularities during solar maximum and different observing modes of equipments, the average starting time of GPS ionospheric scintillations is a little earlier than that of Spread F, and the average end time of the latter is somewhat lagged. Analysis from the statistical results also showed that small scale irregularities less than 1km died off firstly in the decay phase of ionospheric irregularities.
Spread F; ionospheric scintillation; irregularity; correlation analysis
10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.009
2016-12-12
TN966
A
1008-9268(2017)02-0040-04
李靜靜 (1984-),女,工程師,主要研究方向為電波環(huán)境數(shù)據(jù)處理與電波傳播預測技術。
盛冬生 (1986-),男,工程師,主要研究方向為電離層閃爍及其影響評估技術。
張紅波 (1979-),男,高級工程師,主要研究方向為電離層閃爍預報預警、衛(wèi)星導航衛(wèi)星通信雷達系統(tǒng)電離層閃爍減緩等。
聯(lián)系人: 李靜靜E-mail:lijingjing2009@yeah.net